分析鋁合金擠壓成形過程及模具負載的數值模擬

李營

摘要：本文借助MSC.Marc與MSC.SuperForge等計算分析平臺，對材料擠壓和模具應力分布變化兩個關鍵環節實施了數據模擬與分析。通過對模擬方法的合理運用，達到減少試模和修模數量，保證模具結構合理性，并延長模具使用壽命的目的，從而為鋁合金材料擠壓成形工藝的優化設計提供可靠的參考依據。

關鍵詞：鋁合金擠壓成形；模具負載；數值模擬

鋁合金材料擠壓是一個動態過程，具有很高的復雜性，其最終目標為獲得理想的型材，滿足厚度均勻和使用性能要求等。而想要加工出合格的型材，需要使用模具，并對加工過程中的每一個環節和參數進行嚴格控制。數值模擬是實現正式加工前掌握最佳工藝方法和生產參數的重要手段，它的應用能最大限度的規避錯誤和不合理，確定材料和模具在正式生產時可能發生的變化，從而為模具結構設計調整、生產工藝優化調整等提供可靠的依據。

1數值模擬方法——有限體積法

有限體積法又稱有限容積法，是指將待模擬區域分為若干控制體積，各控制體積均建立一個節點進行表達。采用控制方程處理各控制體積得到離散方程，在這一過程當中，須對被求函數和一階導數組成給出相應的假設，此組成方式即為該方法的離散格式。借助有限體積法得到的離散方程能使其有良好守恒性[1]。

質量、動量與能量的守恒方程分別為：

式（1）～（3）中，ρ表示材料密度；vi表示速度矢量；Sij表示應力張量；E表示內能。

2數值模擬建模

2.1有限元模型

對規格尺寸為（30×30）mm的型材施以分析，以此提出具體數值模擬方法。

2.2參數設置

材料參數如表1所示。

表1 材料參數統計表

在材料的摩擦方面，主要選擇塑性剪切模型，該模型摩擦系數為0.9。材料本構關系可表示為：

式（4）中，σy表示流動應力；σs表示屈服應力，在12.5MPa-15.0MPa范圍內；C表示屈服常量，在22.5MPa-23.0MPa范圍內；M表示應變速率的硬化指數，取0.15；N表示應變的硬化指數，取0.11；ε表示應變；擠壓速度確定為10mm/s。

計算選型設置：RET交換類型以work為主，有限體積比確定為0.25，每完成20%進行一次交換，折疊的最小角度為5°；加速選項以標準形式為主[2]。

2.3負載計算

模具工作過程中，由于受到機械應力與熱應力的同時作用，所以通常以彈性變形為主，如果模具設計不合理，或受其它因素的影響，使負載情況較差時，模具將有很大幾率產生塑性變形，致使模具失去效用。在有限的彈性變形限度中，應變和應力的分量應符合虎克定律。模具材料參數如表2所示。

表2 模具材料參數統計表

3模擬結果與分析

3.1變形

在擠壓時，金屬必定會發生不同程度的變形。從變形的過程中可以看出，當擠壓剛到分流孔處時，整體應力負載相對較大，當進入到分流孔以內時，在模腔前端，塑性變形暫時停止，這一部分的應力負載明顯減小，而入口位置上的應力負載未發生變化，依然是最大值。在金屬整體完全進入到焊合腔內，并和其底面實現接觸以后，前端由于受到阻礙，產生了一定程度的橫向流動，同時開始進行焊合。在這一過程當中，金屬應力按先升后降的順序發生變化。當金屬處于模具的工作帶時，其實際應力數值往往會達到極限值。但在完全擠出型材之后，金屬的應力負載將顯著降低[3]。

通過對擠壓全過程的了解可發現，當金屬經過階段面變形與拐角等處時，其應力負載情況都表現出增加的趨勢。而各時刻金屬塑性應變情況說明，當金屬處在分流孔入口處，以及在焊合室中進行焊合以前，其塑性應變速率明顯變大。相同的情況在完全進入工作帶以內再次發生。可見，金屬成形過程中發生的應力變化是造成其應變速率變化的主要原因，二者存在緊密的聯系。如果金屬變形發生明顯的突變，使應變速率間接變大，則金屬應力也有所增加。

3.2應力

模具應力變化情況為：

（1）模具入口表面的應力分布情況：在分流孔圓角處，應力負載增加到1440MPa，是整個過程的最大值。由此可以看出，此圓角部位在設計過程中欠缺考慮，致使應力集中，縮短磨具使用壽命；

（2）距離磨具入口30mm處斷面的應力分布情況：在上模各截面處，應力存在明顯差別，但整體變化趨勢保持一致；

（3）距離模具入口65mm處斷面的應力分布情況：該處應力負載明顯大于棉芯處；

（4）焊合腔底面的應力分布情況：其應力負載大于其它截面。此外，整個模具除了分流孔的圓角，其余所有部位或截面的應力分布情況都較為均勻，并且處在安全范圍以內。

以此為基礎分析在不同的擠壓時刻，模具實際應力所受影響，結果表明：（1）在坯料進入焊合室以后，模具整體應力出現下降；（2）在焊合金屬的過程中，模具整體應力較之前狀態有所增大；（3）當金屬從模孔不斷向外擠出時，應力大幅增加[4]。

3.3結果分析

模具自身結構對金屬受到的擠壓作用力與擠壓是材料發生的應力變化有直接影響，但也也影響到模具使用壽命，所以在模具結構設計過程中應進行綜合考慮，注重金屬應力的同時盡可能延長模具使用壽命，減少或避免應力集中，使其所受擠壓力達到最低。

通過對本次試驗模擬和實際生產過程中的數據對比發現，二者情況基本吻合，因此，采用數據模擬和分析的方法，可為模具結構設計與生產過程中的參數調控提供可靠參考依據。如果金屬材料的實際出口速度在一定范圍中平穩變化，則可在很大程度上確保成品質量，避免因設計問題導致廢品的產生。通過對模具實際受力狀態的分析與校核，可預防模具因設計不合理而出現的斷裂或崩塌，進而從根本上保證了生產過程順利完成[5]。

4總結

（1）在對金屬材料進行擠壓成形時，有相對較大塑性變形現象的部位，其等效應力也很大。從材料自身性質角度講，其等效應力和應變是存在一定關聯的。

（2）對模具而言，在擠壓成形過程中，除了分流孔圓角，其余所有部分的應力都能達到均勻分布，并且處在設計要求的安全范圍以內。為了預防應力集中等問題的發生，需在設計過程中增加此處半徑，實踐表明，這種做法是能有效避免應力集中的。

（3）采用數值模擬等方法，對模具實際受力狀況進行分析和校核，可以防止因設計問題造成的模具斷裂或崩塌等現象，并在滿足生產基本要求的前提下延長模具使用壽命，降低生產成本，改良生產工藝，使成品更具經濟價值。

參考文獻：

[1]賈康凱，張寶紅，李國俊，駱無思，陳艷.5056鋁合金橋形零件擠壓成形研究[J].兵器材料科學與工程，2017（02）：72-76.

[2]潘衛國，劉靜.空心鋁型材蝶形模設計與擠壓過程有限元數值模擬研究[J].模具工業，2016（04）：5-14.

[3]秦升學，邢國良，婁淑梅，任莉新，苗雙雙.基于DEFORM-3D的空心鋁型材擠壓過程有限元分析[J].熱加工工藝，2013（05）：81-83.

[4]李淼林.鋁合金擠壓成形過程及模具負載的數值模擬[J].熱加工工藝，2010（13）：110-113.

[5]婁淑梅，趙國群，王銳，等.有限體積法在三維非穩態釗合金擠壓過程模擬中的應用[J].機械工程學報，2015（02）：122-126.endprint